РисП_РисН_Рив_Каскад

§ 1. Реакторы идеального смешения периодического действия
 
Реактор идеального смешения периодического действия (РИС-П) представляет собой аппарат, снабженный мешалкой и рубашкой. При помощи теплообмена через рубашку поддерживается требуемая температура для проведения химического процесса. Загрузка реагентов и выгрузка продуктов осуществляется периодически.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
В РИС-П в ходе химической реакции при постоянной температуре параметры процесса (С, Х) изменяются только во времени (рис. 1.1,  а). Однако во всем объеме реактора в любой момент времени эти параметры за счет интенсивного перемешивания остаются одинаковыми, и они тем ниже (например С), чем больше время пребывания реагентов в реакторе (рис. 1.1,  б).
Периодические химические процессы по своей природе всегда являются нестационарными, так как в ходе химической реакции изменяются С или Х, т. е. в реакционной массе происходит накопление продуктов, поэтому основой для получения проектного уравнения РИС-П является уравнение (1.2). Это уравнение может быть преобразовано, исходя из того, что в РИС-П вследствие интенсивного перемешивания концентрация i-го вещества (Сi) будет одинакова во всем объеме реактора в любой момент времени. В этом случае производные любого порядка от концентрации по осям x, y, z будут равны нулю, т. е.
                      [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]                         (1.3)         
и                             [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                        (1.4)
Тогда уравнение (1.2) принимает вид:
                                   [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                                        (1.5)
Если принять, что в уравнении (1.5) [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] (здесь ni – число молей i-го реагента, а V – объем реакционной массы), тогда
                                  [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                                      (1.6)
С учетом того, что [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] уравнение (1.6) принимает следующий вид:
                                    [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                                      (1.7)
После разделения переменных и интегрирования уравнения (1.7) находим, что
                                   [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                                  (1.8)
Это уравнение дает возможность определить время реакции, необходимое для достижения заданной степени превращения (Xi) в изотермических процессах, и поэтому является основным для расчета РИС-П. Заметим, что объем реакционной массы V в уравнении (1.8) входит под знак интеграла, поскольку в общем случае V может быть переменным.
Для некоторых случаев уравнение (1.8) принимает несколько иной вид. Если V = const, то
                                 [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                                        (1.9)
В случае реакций, при которых объем реакционной массы меняется (V
· const) уравнение (1.8) принимает вид:
             [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].       (1.10)           
В тех случаях, когда в РИС-П проводится реакция, порядок которой отличается от 0 и 1 интегрирование уравнения (1.8) связано с определенными трудностями, поэтому расчет рабочего времени химической реакции (
·) производят методом графического интегрирования. Для этого по уравнению (1.8) строят график зависимости [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] от Xi. При этом площадь под этой кривой (S) будет равняться интегралу [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], а время химической реакции – произведению [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] (рис. 1.2).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
В то же время, если известно
·, объем РИС-П можно найти, используя уравнение:
                                    [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],                                           
где YV – суточная производительность; z – запас мощности (0,1– 0,15);
· – коэффициент заполнения (0,6–0,85);
·пол – полное время периодического процесса. Это время складывается из времени реакции (
·) и вспомогательного времени (
·всп), которое идет на загрузку, выгрузку, нагревание и охлаждение реактора периодического действия; m – количество реакторов.
Реакторы периодического действия просты по конструкции, требуют небольшого вспомогательного оборудования, поэтому они особенно удобны для проведения опытных работ по изучению химической кинетики. В промышленности они обычно используются в малотоннажных производствах и для переработки относительно дорогостоящих химических продуктов.
Замечание. Если в периодическом реакторе можно непосредственно, по часам, измерить продолжительность реакции, поскольку Сi и Хi меняются во времени, то в реакторе непрерывного действия этого сделать нельзя, так как при установившемся режиме в этих реакторах те же параметры не меняются во времени. В связи с этим для непрерывных реакторов применяют понятие условного (среднего) времени пребывания i-го реагента в реакторе, которое определяется по уравнению:
                                          [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                                                (1.11)
где V – объем реакционной массы в реакторе, например в м3; YV – объемный расход i-го компонента в м3/час.
 
§ 2. Реакторы идеального смешения непрерывного действия
 
Реактор идеального смешения непрерывного действия (РИС-Н) –это аппарат, снабженный мешалкой и рубашкой для теплообмена. В реактор непрерывно подают реагенты и непрерывно выводят из него продукты реакции (рис. 1.3).
Гидродинамический режим РИС-Н при постоянной температуре характеризуется тем, что в начальный момент времени (пуск) в результате интенсивного смешения поступающих реагентов с реакционной массой, уже находящейся в реакторе, наблюдается резкое изменение концентрации (Ci) и степени превращения (Хi) реагента. Однако через некоторый промежуток времени во всем объеме реактора устанавливается одинаковая концентрация i-го вещества (Сi) и степень превращения (Хi). Причем, концентрация реагента становится тем ниже, а степень превращения тем выше, чем больше условное время пребывания реагентов в реакторе.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Таким образом, для РИС-Н характерным является отсутствие градиентов параметров как во времени, так и в объеме реактора, поэтому уравнение материального баланса составляют для реактора в целом. При этом градиенты в дифференциальной форме заменяются разностью значений параметров на входе в реактор и на выходе из него. С учетом этих особенностей для установившегося режима уравнение (1.1) можно записать (в этом случае надо помнить, что [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]) в следующем виде:
                                 [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                             (1.12)
В соответствии с принятыми обозначениями на рис. 1.3 имеем:
                              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];                      (1.13)
или                            [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                 (1.14)
Из уравнения (1.14) следует, что
                             [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                     (1.15)
 
В этом уравнении [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] соответственно мольный расход i-го реагента на входе и на выходе из реактора, а [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] – количество i-го вещества, вступившего в реакцию в единицу времени.
Реакторы идеального смешения непрерывного действия используются для производства целевых продуктов обычно в крупнотоннажных производствах.
 
§ 3. Реакторы идеального вытеснения
 
Реактор идеального вытеснения (РИВ) представляет собой трубчатый аппарат, в котором отношение длины трубы l к ее диаметру d достаточно велико (l/d
· 20). РИВ для поддержания постоянной температуры реакционной массы, также как и РИС-Н снабжается рубашкой для теплообмена.
Xi

 


 

 

В реакторе идеального вытеснения (рис. 1.4) любая частица потока движется только в одном направлении по длине реактора. Обратное (продольное) перемешивание отсутствует; отсутствует также перемешивание по сечению реактора. Следствием такого режима движения реакционной смеси является то, что время пребывания каждой частицы в реакторе одно и то же.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Для математического описания РИВ исходят из дифференциального уравнения материального баланса (1.2), преобразуя его на основе указанных ниже особенностей этого реактора.
Поскольку в РИВ реакционная смесь движется только в одном направлении (по длине реактора), то для первой группы членов правой части уравнения (1.2) можно записать:
           [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];       [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ];     [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].
В то же время в идеальном реакторе вытеснения каждый элемент объема реакционной смеси не смешивается ни с предыдущим, ни с последующим объемами, а также отсутствует радиальное перемешивание, то
                              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].   
С учетом этого уравнение (1.2) для РИВ принимает вид:
                                [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                         (1.16)
Данное уравнение отражает нестационарный режим работы РИВ. Подобный режим характерен для периодов пуска и остановки реактора. Стационарный режим, как ранее отмечалось, характерен тем, что параметры в каждой точке реакционного объема не меняются во времени. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. В этом случае уравнение (1.16) можно переписать в следующем виде:
                                     [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                                (1.17)
Если объем реакционной смеси меняется в процессе реакции, то учитывая, что [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], тогда
                                     [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                               (1.18)
С учетом того, что в общем случае справедливы равенства                                   [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] и  [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ],
а в любой момент времени [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], уравнение (1.18) принимает вид:
                              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                               (1.19)
После разделения переменных интегрирования в уравнении (1.19) находим:
                              [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                                       (1.20)
Когда объем реакционной массы не меняется в ходе реакции, уравнение (1.20) упрощается
                                    [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                                  (1.21)
Для расчета условного (среднего) времени пребывания в РИВ,  в котором протекают реакции, порядок которых  0
· n
· 1, пользуются графическим методом расчета, изложенным ранее (см. часть II, глава I, § 1)
В промышленности РИВ наиболее удобны для проведения только газофазных или жидкофазных процессов большой производительности.
     
§ 4. Последовательное соединение проточных реакторов идеального смешения
 
Мы уже знаем о РИС-П, РИС-Н и РИВ. Из этих трех моделей реакторов основным недостатком одиночного реактора идеального смешения непрерывного действия (РИС-Н) является низкая производительность в расчете на единицу объема реактора. Этого недостатка можно избежать, используя для проведения процесса несколько таких реакторов, установленных последовательно в каскад (К-РИС-Н) (рис. 1.5). В последнем реакторе каскада концентрация реагента, и следовательно, скорость реакции будет та же, что и в одиночном реакторе, но в каждом из предыдущих аппаратов каскада концентрация реагирующих веществ и, таким образом, скорость реакции будет выше, чем в последующем аппарате. В результате средняя скорость реакции оказывается больше скорости в одиночном реакторе.
Причем различие этих скоростей будет тем значительнее, чем больше число ступеней каскада (m) и требуемая степень превращения (kc).
Расчет К-РИС-Н заключается в определении числа ступеней (числа реакторов) m, необходимых для достижения заданной степени превращения, которое обычно рассчитывают графическим методом.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 
Этот метод прост и дает возможность рассчитать К-РИС-Н для реакций любого типа и любого порядка. В основе расчета лежит уравнение одиночного РИС-Н
                     [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                  (1.22)
Из уравнения (1.22) находим, что
                                  [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ].                                    (1.23)
Как видно из уравнения (1.23) для m-го реактора зависимость скорости реакции от концентрации изображается в виде прямой линии с [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. С другой стороны, скорость реакции описывается уравнением [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] (1.24), которое на графике в координатах [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]представляет собой при n > 1 экспоненту, а при n = 1 – прямую линию, выходящую из начала координат. Точка пересечения уравнений (1.23) и (1.24) на графике [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] характеризует концентрацию i-го вещества на выходе из m-ого реактора.
Следовательно, для расчета К-РИС-Н, графическим методом (рис. 1.6) необходимо вначале построить экспоненту [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] и затем из точки, лежащей на оси абсцисс, для которой [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], провести прямую линию с [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] до пересечения с экспонентой в точке М. Опустив из точки М на ось абсцисс перпендикуляр, получаем значение [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] на выходе из первого реактора. Эта же концентрация является исходной для второго реактора. Для нахождения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] на выходе из второго реактора операцию повторяют и так далее до достижения заданной концентрации [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] на выходе из m-го реактора. При этом число ступеней дает нам число реакторов m.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Замечание. Более общие задачи расчета систем, состоящих из последовательно соединенных РИС-Н с различными объемами, можно решить также графическим методом. При этом необходимо обратить внимание лишь на то, что [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] будет различен для каждого реактора каскада.
Следует также отметить, что последовательное соединение m реакторов идеального вытеснения с общим объемом V обеспечивает такую же степень превращения исходного вещества, как и один реактор идеального вытеснения объемом V.

Заголовок 115

Приложенные файлы

  • doc 11317239
    Размер файла: 175 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий